표제지
목차
ABSTRACT 9
제1장 서론 11
제1절 온실가스 배출과 지구온난화 11
1. 화석연료 사용에 의한 온실가스 배출 11
2. 지구온난화와 기후 변화 15
제2절 수소에너지 17
1. 수소연료전지 17
2. 수소 생산 18
3. 수소 저장 21
제2장 이론적 배경 25
제1절 Many-electron System 25
1. Born-Oppenheimer Approximation 25
2. Hartree Theory 27
3. Hartree-Fock Method and Self-consistent Field Theory 28
4. Hellman-Feynman Theorem 29
제2절 First-principle Calculations 30
1. Density Functional Theory 30
2. Hohenberg-Kohn Theorem 31
3. Kohn-Sham Equation 33
4. Exchange-correlation Energy 35
5. Density Functional Models 36
6. Pseudopotential 45
제3절 Thermodynamical Analysis 46
1. Grand Canonical Ensemble 46
2. Estimation of the Chemical Potential 48
3. Temperature and Pressure Swing Adsorption 49
제3장 칼슘이 결합된 탄소나노시트의 수소 저장 51
제1절 칼슘 기반 물질의 수소 저장 51
제2절 계산 세부사항 53
제3절 계산 결과 54
1. 칼슘 원자와 탄소나노시트의 결합 54
2. 탄소나노시트의 칼슘 원자에 대한 수소 흡착 63
제4장 결론 73
참고문헌 76
국문초록 89
〈표 1-1〉 주요 산업국 및 국제기구의 연료에 의한 발전량 비교(2019) 12
〈표 2-1〉 교환성 에너지 40
〈표 3-1〉 칼슘 원자의 결합 영역에 따른 수소 분자의 흡착 거리 64
〈표 3-2〉 18-전자 규칙에 따라 최대로 흡착되는 수소 분자의 개수 67
〈그림 1-1〉 글로벌 온실가스 배출의 영역별 비교(2021) 13
〈그림 1-2〉 이산화탄소 배출량(1971-2017) 14
〈그림 1-3〉 대기 중 메탄 농도(1010-1992) 15
〈그림 1-4〉 지구의 연간 평균 온도 변화(1850-2023) 16
〈그림 1-5〉 수소연료전지의 작동원리 18
〈그림 1-6〉 생산 방식에 따른 그레이수소, 블루수소, 그린수소 21
〈그림 1-7〉 Kubas-type 상호작용. (a) σ-donation (b) π-back donation 23
〈그림 2-1〉 거리에 따른 퍼텐셜 에너지 30
〈그림 2-2〉 Schematic of local density approximation. 38
〈그림 2-3〉 Jacob's ladder of exchange-correlation functional. 44
〈그림 2-4〉 Schematic of pseudopotential. 45
〈그림 2-5〉 Schematic of the adsorption and desorption. 47
〈그림 2-6〉 Temperature and pressure swing adsorption. (a)는 등압 조건에서 온도에 따른 흡착 점유율이고 (b)는 등온 조건에서 압력에 따른 흡착 점... 50
〈그림 3-1〉 탄소나노시트의 다각형 구조. (a) Biphenylene의 구조로 TB, HB, OB로 표시된 회색 영역은 각각 사각형, 육각형, 팔각형 고리를 의미한다....[이미지참조] 52
〈그림 3-2〉 탄소나노시트에 대한 칼슘 원자의 결합 위치. 오른쪽 아래의 약자는 Biphenylene의 (a) 사각형, (b) 육각형, (c) 팔각형 고리 영역,... 55
〈그림 3-3〉 결합 위치에 따른 칼슘 원자의 결합에너지. 가로 방향의 점선은 칼슘의 응집에너지인 1.60 eV/Ca를 나타낸다. Psi-graphene의 육각형 고리... 56
〈그림 3-4〉 칼슘 원자가 결합된 Biphenylene의 PDOS와 CDD. (a) HB 영역에 칼슘 원자가 결합된 구조의 PDOS(Projected density of state). (b) 칼슘 원자...[이미지참조] 58
〈그림 3-5〉 칼슘 원자 2개가 결합된 Biphenylene. H, T, O는 각각 육각형, 사각형, 팔각형 고리 영역을 의미하고 2개의 칼슘 원자 배치된 영역을 나타... 59
〈그림 3-6〉 칼슘 원자 2개와 Biphenylene의 평균 결합에너지. 가로 방향의 점선은 칼슘의 응집에너지인 1.60 eV/Ca를 나타낸다. 59
〈그림 3-7〉 Phonon dispersion relation. (a) 순수한 Biphenylene과 (b) TB, (c) HB, (d) OB 영역에 칼슘 원자가 결합된 구조이다.[이미지참조] 61
〈그림 3-8〉 수직거리에 따른 칼슘 원자의 결합에너지. 빨간색 점선은 평형거리를 나타낸다. 62
〈그림 3-9〉 흡착 거리에 따른 수소 분자의 결합에너지. 노란색 점선은 평형거리를 나타낸다. 노란색 구는 수소 원자를 의미한다. 62
〈그림 3-10〉 최대로 흡착된 수소 분자의 구조. (a) TB, (b) HB, (c) OB 영역에는 모두 최대 5개의 수소 분자가 흡착되었고 (d) PP, (e) HPP 영역에는 각...[이미지참조] 64
〈그림 3-11〉 칼슘 원자에 흡착된 수소 분자의 평균 결합에너지. 65
〈그림 3-12〉 수소 분자가 흡착된 구조의 PDOS. (a) TB, (b) HB, (c) OB, (d) PP, (e) HTP 영역에 위치한 칼슘 원자에 수소 분자가 최대로 흡착된...[이미지참조] 68
〈그림 3-13〉 흡착된 수소 분자의 온도에 따른 점유율. 검은색, 빨간색, 파란색 선은 각각 1, 30, 60 bar의 수소 기압을 의미한다. 300 K 부근의 빨... 70
〈그림 3-14〉 수소가 최대로 저장된 최종적인 구조. (a) Biphenylene에 수소가 저장된 구조의 화학식 (C₂₄3Ca15H₂)ₙ (b) Psi-graphene에 수소가 저... 72